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外挂冷箱的全精馏制氩
[2010-1-6] 浏览次数: 242 次

 杨长青
(开封赛普空分集团集团,河南省开封市金明工业园区,475004)
【摘要】本文以一套六千空分的外挂冷箱全精馏制氩工艺的实践,分析了其在设计及安装中应被关注的一些问题,并提出相应的解决方案。

主题词: 制氩 全精馏制氩 氩馏份 氩塔

      
近几年来,随着民营企业对钢铁业的投入,我国的钢铁产量每年的增加量,都在3000万吨以上,但钢铁主业普遍存在工艺落后、产品档次低、市场竞争力不强等缺陷,产品大多为坯料和线材为主。所配套的空分设备装置规模基本在一万以下,且多数装置均不带制氩系统。随着钢铁企业的发展及国家相关产业政策的约束,部分企业都在对早期上马的一些旧装置进行技术改造,以满足炼钢和轧材需求。本文介绍的就是开封市赛普空分集团为河北普阳钢铁有限公司六千空分进行的外挂冷箱的全精馏制氩的改造。

一、项目由来

   
普阳钢铁有限公司原有KDON—3800/3800型分子筛流程空分设备两套,2003年新上一套KDON-6500/6500型空分设备,为带增压的分子筛流程,DCS控制,整套设备的生产安装周期只有七个月,为保证能与炼钢建设同步,所以当时并未考虑全精馏制氩,但提出了预留氩系统接口。2004年在空分投产半年后,要求新上一套全精馏制氩装置,并且在不影响生产用氧的情况下改造。具体合同指标如下:
    液氩产量: 150m3/h(折气态)
    液氩中含氧量:<2ppm
    液氩中含氮量:<3ppm

二、外挂全精馏制氩装置的设计

   
由于全精馏制氩工艺本身已是比较成熟的工艺,原装置在设计时已考虑到有可能要增加一套全精馏制氩系统,所以精馏塔的设计已考虑工况的主要的相容性。问题比较困难的问题有三点:(一) 预留口位置是否与设计工况一致,即氩馏份抽口及液空蒸气回上塔位置是否准确,否则就会出现达不到产量或频繁氮塞。(二)在增加了庞大的冷箱后,如何解决冷损问题,否则即使可将氩精制至PPm级,却无法使之变成液体氩产品。(三)冷箱内的管道如何考虑在低温状态下的应力补偿,以满足长期运行的需要,且有可能在特殊时段,可有效切除制氩系统,而对主装置的运行,不造成影响。国内外挂冷箱的全精馏制氩装置,国内改造比较成功的案例是1999年开封空分集团为上海焦化“17000”空分装置的外加制氩改造,该套空分的主体设备有法液空提供,并预留氩系统接口。国内其它厂家象这样的改造,成功的并不多见,也同改造机会较少有关。
   制氩流程选择工艺氩以气相进料,这样流程回比较简单,精氩塔冷凝仍采用液氮,这样设计对操作控制难度稍大,但计算结果有利于氩的提取。规整填料采用天津大学填料。关于对设备安装和使用中可能出现的问题,设计上是这样考虑的:(一)在流程摸拟计算时,为防止氩馏份抽口可能出现偏差,可能出现含氮高的区域,选择抽口位置时,不但要保证氩馏份的含氩量,还要保证含氮量控制在10PPm以下,这样既使实际塔板数与计算存在偏差,对操作的影响也在可控制的范围内,这样就势必要提高理论塔板数,增加设备制造成本,在苛求氩产品提取率的今天,这也是必然的选择。(二)冷量问题是比较难解决的问题,增加新冷箱后,其跑冷损失超过主冷箱的一半,再加上液氩产品带走的冷量,显然用原来的膨胀机,制冷量不足,故将原来4500M3/H的膨胀机,用5500M3/H膨胀量的新机型替带,好在它们仍属于同一系列,外形尺寸基本一致。但膨胀量增加后,对制氩提取率又非常不利,这样就要求膨胀空气旁通,以牺牲部分氧来实现,这样从经济上也是合算的。(三)冷箱内的管道最不好设计的是较大的管道,如氩馏份管、液空蒸气管、液空管等,主要是受空间限制,不太方便补偿,且设计时将系统相互连接切断的阀门都放置在了连接过桥上。因此,对于大管上的切断阀前后,加装了金属波纹管,同时利用软件对单个配管分别进行应力计算。对于调节阀门,选型上考虑了切断的要求,采用泄漏等级为Ⅵ级的阀门,且为焊接阀门。管道在主冷箱面板上,部分管道下方开长条孔,并用矿渣棉密封,以利于管道补偿和保冷。对氩馏份进出口管道地补偿问题,设计时故意抬高了C5塔与C2
塔抽口间的相对高度,而C5塔高一点是没有关系的,只需将液氩流程泵的扬程提高就可以了。具体流程如下图:

                          赛普集团全精馏制氩原理流程图
 
 三、设备的安装与试车

    安装过程中,原“6000”空分仍在进行生产,预留的管道接口有的是直接用闷板焊死的,有的是采用法兰盖。由于在原装置试车前,已对于原预留管道的走向进行了核对,并记录备案,对管中介质流动不会有所碍。外挂制氩系统单独施工,对防静电系统又进行了规划和改进,与主冷箱连接部分,待“6000”空分停车时集中进行。工程自2005年5月开始,到8月份安装就序。系统对接是在“6000”空分停车加温后进行的。系统相互间切断、密封良好,9月3日进入试车。首先对氩系统进行裸冷,尽管已预先在C3塔上部设置DN100的冷却管道,但对于粗氩塔庞大的容积及跑冷,管道设计的流量,不足以使设备冷却下来,裸冷基本上是失败的,通常整体设备在裸冷时,氩系统也基本上不能被冷却下来,所以,在重新对系统进行试压检查后装砂。珠光砂采用的是一种比较好的品种,比普通珠光砂绝热性能提高15%。9月10日进入负荷调试。9月18日正式出液氩产品,设备运行工况非常稳定。
    通常制氩系统设计,氩馏份的含量会介于8%~12%之间,操作过程中会随上塔工况的变化而改变,也会随氩塔负荷的大小而改变。在初投阶段,控制投入的过程要慢;在提纯阶段要控制放散量要小,这样在C3塔下部,氩的浓缩需要72小时以上,可达到90%以上的水平,此时会发现氩泵后的压力明显提高了。对于气相进料的精氩塔,操作中要提高精氩冷凝器氮的蒸发压力,以防止氩的固化。关于精氩塔操作压力低,主要原因在于精氩冷凝器温差较大,易于冷凝所致,也与换热面积有关,可适当控制废气的放空量,以氮组份覆盖部分换热面积,来得到控制,同时,在工艺操作稳定的情况下,精氩塔的压力升高或放气阀开度变大,则说明有氮塞征兆。

四、6000m3/h空分全精馏制氩系统的考核与总结

   
赛普空分集团得到了普阳钢铁公司的大力支持,2005年9月21日双方就外挂全精馏制氩系统进行了考核,其考核平均指标如下:
    加工空气量:33000 m3/h
    氧气产量:6520 m3/h
    氧气纯度:﹥99.7%O2
    液氩产量: 179m3/h(折气态)
    液氩中含氧量:<0.8ppm
    液氩中含氮量:<3ppm
    该设备的主要优点在于运行非常稳定,如果临时停车后的恢复也不超过36小时,用户对该套设备的改造非常满意。但该设备的成功投产,提供给我们的启示是,只要原空分装置的设计是按照后增制氩改造而做的,基本上改造会获得成功,预留口的参数必须是与设计接近的才好。改造失败大多都与制氩系统不配套,产生出各种各样的问题,如无把握的话,应首先对欲改造设备的主塔工况进行分析计算,然后决定如何改造。
 
 
参考文献 1:《全精馏(无氢)制氩技术》秦顺利
         2:《上海焦化“17000”空分制氩》 刘景武 李治新 马源

 
杨长青,男,1968年5月生,1990年西安交通大学化工设备与机械专业本科毕业,工程师

 
 
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